Domanda:
Perché i motori a reazione ottengono una migliore efficienza del carburante ad alta quota?
Jay Carr
2014-02-08 01:44:44 UTC
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Mi è stato detto che questo è vero, ma non riesco a immaginare il motivo. Sembra che il fatto che ci sia meno aria renderebbe i motori meno efficienti ... Ma questo probabilmente dimostra quanto poco so sui motori a reazione.

Su una nota leggermente diversa, il Concorde era super efficiente alle sue altitudini di crociera quando volava a Mach 2.00+. Lo stesso non si può dire della sua efficienza subsonica a bassa quota :)
Meno aria rende i motori meno potenti. Ma l'efficienza è il rapporto tra la potenza generata e il carburante consumato.
Probabilmente perché i progetti richiedono compromessi e gli ingegneri hanno scelto di ottimizzare il motore per il funzionamento ad alta quota poiché è lì che trascorre la maggior parte del tempo.
Dieci risposte:
#1
+46
Peter Kämpf
2014-05-19 13:33:39 UTC
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Per una rapida spiegazione, è necessario sapere che

  • La spinta è la differenza tra l'impulso di ingresso dell'aria che entra nel motore e l'impulso di uscita della miscela aria-carburante riscaldata in uscita dal motore. L'impulso è la massa moltiplicata per la velocità ed è espresso con un flusso di massa $ \ dot m $ , la spinta T è $$ T = \ punto m \ cdot (v_ {exit} - v_ {entry}) $$
  • L'impulso di uscita viene aumentato accelerando il flusso d'aria attraverso il motore e l'accelerazione si ottiene riscaldando l'aria .
  • Ogni grammo di carburante riscalda una data massa d'aria di un certo numero di gradi centigradi. La definizione del contenuto energetico dei combustibili è data come la capacità di riscaldare una libbra di acqua di un grado Fahrenheit. La definizione di una Caloria è simile ma in unità metriche. Poiché la capacità termica sia dell'acqua che dell'aria sono quasi costanti a temperature moderate, la temperatura iniziale fa poca differenza per l'aumento della temperatura assoluta quando viene aggiunta una data quantità di energia.

Efficienza termica

L'efficienza termica è il rapporto tra il lavoro meccanico estratto come spinta e l'energia termica spesa per riscaldare l'aria, ed è influenzata indirettamente dall'altitudine di volo. Consulta l'articolo di Wikipedia sul ciclo di Carnot. Questo e altri cicli simili descrivono il funzionamento di tutti i motori a combustione in termini termodinamici. In sostanza, dice che l'efficienza di un motore a combustione non può essere maggiore del rapporto di temperatura tra l'aumento di temperatura dall'ambiente ( $ t_ {amb} $ ) alla temperatura massima $ t_ {max} $ del processo, diviso per la temperatura massima. Tutte le temperature devono essere espresse come temperature totali, dove 0 ° significa 0 K o -273,15 ° C. Il funzionamento in aria più fredda aumenta il rapporto e migliora l'efficienza. $$ \ eta_t = \ frac {t_ {max} - t_ {amb}} {t_ {max}} $$

Se $ t_ {amb} $ è 290 K (16,85 ° C o 62 ° F) e il carburante riscalda l'aria a 1400 K (2060 ° F), l'efficienza termica secondo la formula sopra è 79,3%.

Ad altitudine di crociera $ t_ {amb} $ è solo 220 K (-53,15 ° C o -63,7 ° F), e lo stesso flusso di carburante relativo al flusso d'aria eleverà la temperatura massima solo a 1320 K (in realtà anche meno; per un ragionamento più preciso vedi sotto). Ora l'efficienza termica è dell'83,33%! Se viene mantenuta la temperatura massima, aumenteranno sia la spinta che l'efficienza termica; quest'ultimo all'84,3%.

In realtà, l'efficienza totale sarà inferiore perché non abbiamo incluso efficienza propulsiva, effetti di attrito o prese di potenza da aria di spurgo, pompe e generatori. L'efficienza propulsiva descrive l'efficacia dell'accelerazione dell'aria.

Riscaldare la miscela aria-carburante

La combustione di una miscela aria-carburante aggiungerà energia termica al esso, circa 43 MJ per ogni chilogrammo di cherosene (se assumiamo una combustione completa). La capacità termica isobarica o calore specifico dell'aria (abbastanza vicino, la miscela contiene pochissimo carburante ma molta aria) è di 29 J per mol e per K, quindi quei 43 MJ riscalderanno 1000 moli d'aria entro 1483 K. La capacità termica cambia leggermente con l'umidità e la temperatura, ma abbastanza poco da poterla considerare costante per questo scopo. Se l'aria parte da 220 K, la precompressione in aspirazione la riscalderà a ca. 232 K, un'ulteriore compressione nel motore lo riscalderà fino a ca. 600 K se ipotizziamo un rapporto di compressione di 25, e questa è la temperatura all'ingresso della camera di combustione.

Quelle 1000 moli d'aria pesano circa 29 kg, e aggiungendo un chilo pieno di carburante e bruciando la miscela la si riscalda a 2083 K. Se desideri maggiori dettagli sui parametri di un tipico jet motore, guarda il diagramma in questa risposta. Poiché la miscela prende velocità mentre brucia, anche la massa di carburante viene riscaldata e la combustione non è mai completa, la temperatura massima qui indicata non verrà in realtà raggiunta.

Se partiamo a terra con un'aria temperatura di 290 K, la temperatura nell'aspirazione scenderà leggermente perché non voleremo abbastanza velocemente da consentire la precompressione nell'aspirazione. Ora il compressore riscalderà l'aria a 730 K, e di nuovo aggiungendo e bruciando quel chilo di cherosene si riscalderà 1000 mol di aria a 2213 K. Idealmente.

In realtà, il controllo del motore vedrà che il limite le temperature non vengono superate, ma qui possiamo giocare con i numeri a nostro piacimento. I valori esatti saranno sicuramente leggermente diversi (maggiore riscaldamento per attrito nel compressore, perdita di calore verso l'esterno, leggera deriva del calore specifico con la temperatura), ma il succo della spiegazione è corretto.

Spiegazione in parole semplici termini

La combustione della miscela aria-carburante la riscalda e fa espandere il gas. Ciò avviene a una pressione quasi costante e in un volume limitato, quindi l'unico modo per fare spazio a questa espansione è che il gas fluisca più velocemente. Una pressione quasi costante significa che la densità del gas deve diminuire. Il rapporto di densità tra il gas riscaldato e il gas incombusto è proporzionale al suo rapporto di temperatura , misurato in temperatura assoluta.

Tuttavia, la quantità di combustibile bruciato determina l'aumento di temperatura assoluto , la differenza in gradi tra il gas bruciato all'interno della camera di combustione e il gas incombusto all'aspirazione. Per una data quantità di carburante, il rapporto di temperatura che può essere ottenuto con un aumento assoluto della temperatura diventa minore quanto più alta è la temperatura del gas incombusto. Pertanto, l'efficienza diminuisce all'aumentare della temperatura dell'aria aspirata.

Wow, grande espansione! So che questo è chiedere un po ', ma potresti includere una sezione prima di "efficienza termica" che parla un po' di come il carburante viene trasferito in calore? Forse una formula che lo dimostra? Sono un po 'confuso ... Perché la stessa quantità di carburante aumenta la temperatura dei gas di scarico della stessa quantità anche se la temperatura è più bassa? Sembra che se partissi da -50c e andassi a 50c, ci vorrebbe molta più energia rispetto a 25c a 125c. O sto pensando sbagliato? Ad ogni modo, aggiungere una sezione a riguardo sarebbe fantastico, quindi potrei contrassegnare la tua risposta come corretta ...
@JayCarr: Grazie per i tuoi commenti incoraggianti, ci sto lavorando ...
Mi piace l'aggiunta, ma sono ancora un po 'confuso sul motivo per cui è necessaria la stessa quantità di energia dal carburante per riscaldare l'aria, indipendentemente dalla temperatura da cui inizi.
@JayCarr: La definizione del contenuto energetico dei combustibili è data come la [capacità di riscaldare mezzo chilo di acqua di un grado Fahrenheit] (http://whatis.techtarget.com/definition/British-thermal-unit-Btu). La definizione di una caloria è simile, ma in unità metriche. Poiché la capacità termica sia dell'acqua che dell'aria sono quasi costanti a temperature moderate, la temperatura iniziale fa poca differenza per l'aumento della temperatura assoluta quando viene aggiunta una data quantità di energia.
Eh, non lo sapevo. Se lo metti nella risposta, lo contrassegno come corretto :) (Mi dispiace essere così schizzinoso, ma se intendo rimuovere una risposta consolidata, voglio assicurarmi che la nuova risposta sia il più completa possibile .)
@jCisco: Questa risposta riguarda l'efficienza del motore. L'argomento dell'altitudine di crociera ottimale è discusso [qui] (http://aviation.stackexchange.com/questions/12541/why-are-many-jet-aircraft-designed-to-cruise-around-fl350-370/12569# 12569).
Sa, buon signore, dovrebbe venire con noi in chat uno di questi giorni. Ci sono molti di noi che vorrebbero prendere un po 'il tuo cervello;). http://chat.stackexchange.com/rooms/12036/the-hangar
@JayCarr: Faccio schifo in chat. Ho bisogno di tempo per ricercare, digitare e perfezionare una risposta.
Ah, siamo tutti di vari livelli di capacità di chat (abbiamo diversi madrelingua inglesi, per esempio). Ma penso che tutti sarebbero felici di vederti lì. Dipende da te ovviamente :).
#2
+30
casey
2014-02-08 02:23:25 UTC
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Ciò che conta per un motore a reazione sono i differenziali di pressione e temperatura tra i gas di scarico e l'atmosfera ambiente. È l'espansione e l'elevata energia cinetica dei gas di scarico in uscita dal motore che fornisce la spinta (e il rumore) di un getto (si noti che questo non tiene conto della porzione di bypass di un turbofan).

La pressione ambiente è la pressione atmosferica, che ad esempio in superficie è di circa 1000 hPa e durante la crociera potrebbe essere di 200 hPa o circa un quinto della pressione in superficie. Anche la temperatura a quell'altitudine è tipicamente intorno a -50 C.

La pressione e la temperatura dei gas di scarico sono controllate da alcuni fattori:

  • La compressione da parte degli stadi del compressore N2 - Aumenta la temperatura e la pressione
  • La sezione calda - Aumenta notevolmente la temperatura e la pressione
  • Gli stadi della turbina N1 / N2 - Leggera diminuzione della temperatura / pressione (lavoro svolto sullo spostamento del turbine).

Poiché la pressione esterna scende mentre saliamo, per mantenere la stessa differenza di pressione nel motore, abbiamo bisogno di meno temperatura e pressione nel motore e un modo per farlo è quello di ridurre il flusso d'aria nel motore e il carburante aggiunto a quell'aria. L'atmosfera si occupa di ridurre il flusso d'aria (ce n'è solo meno durante la crociera, anche se questo dipende anche dalla velocità) e il FADEC si occupa di regolare il flusso di carburante. Il risultato netto è meno carburante necessario per produrre la stessa differenza di pressione quando l'aria esterna ha una pressione inferiore, ad es. volo da crociera.

EDIT:

Alcune delle altre risposte / commenti fanno riferimento al flusso di massa attraverso il getto, e in particolare al flusso di massa attraverso l'ugello di scarico. Sono d'accordo con questo, ma non l'ho menzionato direttamente perché quel flusso di massa è impostato dal gradiente di pressione all'interno del motore. Dovrei anche chiarire che la pressione all'ugello sarà uguale o molto vicina alla pressione atmosferica ambiente ed è il gradiente di pressione tra quella pressione ambiente e quella nella sezione calda che stabilisce la portata massica in uscita dal motore.

Infine, per affrontare il commento sul rapporto di bypass, vedere il commento di Lnafziger. I motori turbofan dell'EMB-145 sono simili in quanto il bypass fornisce più spinta a livello del mare rispetto alla crociera. Ciò è forse correlato a una maggiore efficienza del carburante durante la crociera in quanto la ventola N1 sta facendo meno lavoro e quindi la turbina N1 sta estraendo meno energia dal motore.

il differenziale di pressione tra i gas di scarico e l'atmosfera ambiente dovrebbe essere il più basso possibile. Non è il gas che esce dal motore che fornisce la spinta. Sono il compressore e la camera di combustione che producono la maggior parte della spinta.
Come fanno allora il compressore e le sezioni di combustione a produrre la spinta se non attraverso la modifica dell'aria che passa attraverso il motore a reazione? Il compressore e la combustione agiscono sull'aria e l'aria a sua volta lavora sulle turbine e sull'atmosfera.
Ciò significa che questa risposta, se modificata, è corretta? ..qualche tipo di riferimento potrebbe essere saggio anche a questo punto.
http://en.m.wikipedia.org/wiki/Bypass_ratio
#3
+21
DeltaLima
2014-02-08 02:24:14 UTC
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Funzionano meglio in alta quota innanzitutto perché l'aria è più fresca. L'aria fredda si espande di più se riscaldata rispetto all'aria calda. È l'espansione dell'aria che aziona i motori a combustione.

Il secondo motivo è la bassa densità dell'aria. Una bassa densità causa una bassa resistenza aerodinamica e quindi l'aereo vola molto più velocemente ad alta quota che a bassa quota quando riceve la stessa spinta. A questa alta velocità, il flusso di massa attraverso il motore è paragonabile al flusso di massa a bassa velocità nell'aria ad alta densità (bassa altitudine). La quantità di energia necessaria per riscaldare l'aria alla temperatura di scarico è paragonabile tra alta e bassa quota. Ma poiché l'aereo ad alta quota vola molto più velocemente, la quantità di potenza generata è maggiore $ (Potenza = Spinta \ volte {Velocità}) $ in quota.

La differenza con gli aerei ad elica è che alle alte velocità l'elica perde efficienza e quindi la potenza disponibile diminuisce con l'altitudine.

Potresti anche aggiungere il concetto di compressione dell'aria ram per rendere questa risposta un po 'più completa.
#4
+10
Radu094
2014-02-08 04:31:25 UTC
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Per un approccio non matematico:

Pensiamo a come funziona un motore a reazione e confrontiamo i voli a bassa quota con i voli ad alta quota. Il motore preleva aria dalla presa situata nella parte anteriore. Man mano che si sale, l'aria diventa meno densa (c'è meno massa d'aria in un volume) quindi è necessario andare un po 'più veloce solo in modo che la massa dell'aria che entra attraverso l'aspirazione sia la stessa in un dato secondo. In realtà otterrai lo stesso flusso di massa d'aria ad alta quota come a bassa quota, ma in realtà stai viaggiando più velocemente.

Quindi comprimi quell'aria, ricordando che mentre viaggi più velocemente più in alto, l'effetto ariete ti aiuterà a uscire e comprimerà un po 'di quell'aria per te, semplicemente' speronando 'i tuoi motori dentro alta velocità. Mentre lo comprimi, lo passi alla camera di combustione dove brucia. Questa fase di combustione è la stessa sia per le alte che per le basse altitudini, anche se il fatto che ad altitudini più elevate l'aria sia più fredda in realtà aiuta un po ', poiché possiamo bruciare più carburante senza raggiungere temperature pericolose, quindi è bello.

Dopo averla bruciata, l'aria viene fatta passare attraverso una turbina e poi espulsa dal retro. Ora qui diventa un po 'complicato: vedete, è più efficiente accelerare un po' molta aria (massa) (dv piccolo), che accelerare un po 'd'aria (massa piccola) a una velocità molto elevata ( dv). Ciò significa a sua volta che più velocemente si muove l'aereo, migliore sarà l'efficienza propulsiva del getto. Quindi, man mano che sali, vai più veloce e il flusso ottiene una migliore efficienza, inoltre la pressione dell'aria più bassa dietro di te significa che c'è meno forza che spinge contro il tuo deflusso.

Allora cosa abbiamo in basso vs alto volo:

Stessa quantità di aria aspirata, stessa quantità di combustione, stessa quantità di carburante utilizzato, migliore propulsione a getto ad altitudini più elevate e migliore velocità ad altitudini più elevate. Ottieni solo più colpi per i tuoi soldi ad altitudini più elevate.

Per un approccio matematico:

Efficienza del motore a reazione (turbina a gas)

Presumo, però, che ogni motore debba avere una quota di massima efficienza quindi? Ad un certo punto l'aria sarà troppo sottile per consentire la massima efficienza in ingresso, giusto?
no, non proprio: a un certo punto l'aria diventa così sottile che devi andare molto, molto veloce per mantenere la massa d'aria in entrata. E man mano che ti avvicini alle velocità transoniche ti metti nei guai con un motore convenzionale. Se pianifichi un motore ramjet / scramjet potresti andare più in alto / più veloce, ma la tua fusoliera ora si scioglierà. La conclusione è: il soffitto superiore non è mai un problema di prestazioni del motore, è sempre qualche altra limitazione
#5
+3
Spencer Whitney
2014-05-18 23:14:16 UTC
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Questo perché l'aria è più fresca e meno densa, il che significa che c'è meno miscela di carburante ad aria ad altitudini più elevate, il che garantisce una migliore efficienza del carburante

#6
+1
konkorde
2015-01-11 12:31:27 UTC
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Maggiore è l'altitudine, più sottile è l'atmosfera significa minore resistenza dell'aria o resistenza all'aria sull'aereo, quindi è necessaria una minore spinta del motore per spingerlo. Questo è fortunato perché il motore perde spinta con l'altitudine quasi alla stessa velocità perché poiché è disponibile meno aria per il motore, il sistema di alimentazione deve ridurre il carburante per mantenere il corretto rapporto aria / carburante per supportare la combustione e mantenere il motore acceso. È una situazione vincente.

#7
+1
mephisto
2015-10-12 22:45:42 UTC
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Il motore di un aereo di linea è progettato per essere il più efficiente possibile durante un viaggio che prevede un decollo, una salita e la maggior parte del suo tempo tra 35.000 e 40000 piedi, dove la pressione dell'aria è di circa 1/4 a 1/5 di livello del suolo. Il motore ha alcuni stadi di compressione extra per funzionare in modo efficiente durante la normale crociera a scapito del surriscaldamento se fatto volare a lungo a piena potenza vicino al livello del suolo a causa della troppa compressione all'aspirazione. Cerca l'iniezione d'acqua per un modo interessante per ottenere la spinta al decollo in un motore di media altitudine nel 707.

#8
-4
Doug
2014-05-16 05:05:35 UTC
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Penso che la maggior parte stia semplicemente pensando troppo. La risposta più semplice e probabilmente la più completa è la resistenza (o l'attrito). L'aria di alta quota è meno densa, facilitando il passaggio. Il contenuto di ossigeno in alta quota è esattamente lo stesso del livello del mare. Mentre l'aria lassù è la stessa che respiriamo, c'è meno aria nello stesso contenitore di volume. I veicoli spaziali non utilizzano motori a reazione. Per girare o fare qualsiasi movimento in realtà hanno "getti" in varie posizioni intorno alla navetta. I "jet" in questo caso non sono motori a reazione, sono semplicemente piccoli ugelli attraverso i quali vengono rilasciati gas pressurizzati. Tieni presente che con zero aria non c'è resistenza al movimento, ricorda le leggi del moto di Newton: ogni azione ha una reazione uguale e contraria.

Questa risposta trarrebbe grande beneficio da una riformulazione. Considera la possibilità di modificare la tua risposta e di spiegare in modo più dettagliato i vari argomenti che porti avanti. Considera anche che la formattazione aiuta a rendere una risposta più leggibile
#9
-4
ritesh
2014-09-20 16:36:28 UTC
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Come sapete, l'aumento dell'altitudine, pressione e temperatura, si riducono entrambe fino alla stratosfera, dopo che la temperatura rimane costante, la caduta di pressione continua, quindi la densità dell'aria si riduce in modo da creare meno resistenza aeromobili che viaggiano ad alta velocità, questa perdita di pressione è superata dall'aumento della pressione del pistone all'ingresso del motore e dell'aeromobile è necessaria meno potenza per muoversi più velocemente da 36.000 piedi a 40.000 piedi al di sopra della potenza massima richiesta dal motore per funzionare più velocemente in modo che la punta della pala non si stacchi.

Benvenuto in Stack Exchange! Per favore considera di rielaborare il tuo post; allo stato attuale è rovinato da errori di ortografia che lo rendono difficile da capire.
Ho corretto alcuni dei tuoi peggiori errori di ortografia, ma non riesco a capire dove siano le tue frasi. Scusa, ma -1.
#10
-7
Erokhane
2014-02-13 23:49:21 UTC
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Non sono nemmeno vicino a un esperto. Ma eccolo qui.

L'aria come l'acqua è densa. I sottomarini sono più lenti delle barche. I jet sono più veloci delle barche. Le automobili sono più veloci delle barche.

Lo spazio non ha attriti perché non c'è materia. Ma penso che i jet funzionino ancora nello spazio. Ovviamente hanno bisogno di ossigeno. Proprio come Superman non ha bisogno dell'attrito del terreno per correre veloce, mentre altri supereroi lo fanno. Questo è il motivo per cui trovo non realistico come un supereroe che ha bisogno di attrito del suolo sia in grado di correre così veloce e fare curve strette senza fare seri danni ai pavimenti.

Quindi immagino che sia l'aria meno spesso più in alto, che più è facile attraversarlo. I getti non dipendono dall'attrito come fanno le eliche. Superman non ha bisogno di attriti come Flash Gordon o Wonder Woman. Quindi nello spazio, Wonder Woman sarebbe impotente perché le sue eliche non funzionano mentre i jet di Superman funzioneranno perfettamente.

Ovviamente il jet ha bisogno di ossigeno. Quindi non sono sicuro di come funzioni tutto ciò.

E qualcosa a cui non pensavo era ciò che è stato menzionato in un altro post. Il suono ha bisogno di aria. Quindi sì. Il suono può aumentare l'attrito.

Non so se dovrei votarti per essere ridicolo o votarti per essere creativo. Immagino che si annullino a vicenda, quindi lo lascerò solo;).


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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